JP4436770B2 - 光起電力装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光起電力装置に関し、特に、複数の半導体層からなる発電ユニットを少なくとも１つ含む光起電力装置に関する。
従来、ｎ型層、光電変換層およびｐ型層の各々が微結晶シリコン系半導体層により構成された光起電力装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。ここで、微結晶シリコン系半導体とは、最大粒径が数百ｎｍ以下の結晶粒を多数含み、かつ、構成元素としてＳｉを含む半導体であり、内部に非晶質相を有するものも含む。上記特許文献１に開示された微結晶シリコン系半導体層を光電変換層として用いた光起電力装置は、非晶質シリコン系半導体層を光電変換層として用いた光起電力装置と比べて、光劣化による変換効率の低下が少なく、かつ、広い範囲の光を吸収することができるという特徴を有する。
また、上記特許文献１に開示されたｎ型層、光電変換層およびｐ型層の各々が微結晶シリコン系半導体層により構成された光起電力装置では、凹凸形状の表面を有する基板を用いるとともに、その基板上に、裏面電極、ｎ型層、光電変換層、ｐ型層および表面電極が順次形成されている。このため、裏面電極およびｎ型層の表面は、基板の表面の凹凸形状を反映した凹凸形状になるので、裏面電極およびｎ型層の凹凸形状の表面により入射光を散乱させることができる。これにより、光閉じ込め効果を向上させることが可能となる。
特開２００２−３３５００号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された光起電力装置では、光閉じ込め効果が不十分であるという不都合がある。具体的には、微結晶シリコン系半導体は、非晶質シリコン系半導体よりも吸収係数が１桁低いため、微結晶シリコン系半導体層を光電変換層として用いる場合では、非晶質シリコン系半導体層を光電変換層として用いる場合と同様の光吸収を得るためには、微結晶シリコン系半導体層からなる光電変換層の厚みを大きくする必要がある。このように光電変換層の厚みを大きくすると、凹凸形状の表面を有する基板を用いたとしても、微結晶シリコン系半導体層からなる光電変換層の表面の凹凸形状は、緩やかになり、実質的に平坦な形状に近づく。したがって、光電変換層上に順次形成されるｐ型層および表面電極の表面も実質的に平坦な形状に近づくので、入射光をｐ型層および表面電極の表面により散乱させるのが困難になる。このため、上記特許文献１では、表面側における光閉じ込めが不十分になることにより効率的に光電変換層に入射光を吸収させるのが困難になるので、短絡電流を大きくするのが困難になるという不都合がある。
また、ｎ型層およびｐ型層の両方を微結晶シリコン系半導体層により構成した特許文献１において、微結晶シリコン系半導体層は、バンドギャップが小さいので、ｎ型層と、光電変換層と、ｐ型層とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界を大きくするのが困難になるという不都合がある。このため、開放電圧を大きくするのが困難になるという不都合がある。
このように、上記特許文献１では、開放電圧および短絡電流を大きくするのが困難になるので、光起電力装置の出力特性を向上させるのが困難になるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、出力特性を向上させることが可能な光起電力装置を提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による光起電力装置は、少なくとも１つの層を含む第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成され、少なくとも１つの層を含む、光電変換層として機能する実質的に真性な第２半導体層と、第２半導体層上に形成され、少なくとも１つの層を含む第２導電型の第３半導体層とを有する発電ユニットを少なくとも１つ含んでいる。そして、第１半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの層は、非晶質半導体層であり、第１半導体層、第２半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの非晶質半導体層以外の層は、結晶性を有する非単結晶半導体層であるとともに、結晶性を有する非単結晶半導体層のうちの少なくとも１つの層は、他の層と異なる優先結晶配向面を有する。
この一の局面による光起電力装置では、上記のように、第１導電型の第１半導体層および第２導電型の第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの層を、非晶質半導体層により構成することによって、非晶質半導体層は、結晶性を有する非単結晶半導体層よりもバンドギャップが大きいので、第１導電型（ｎ型）の第１半導体層のフェルミレベルと第２導電型（ｐ型）の第３半導体層のフェルミレベルとの電位差である内蔵電界を大きくすることができる。これにより、光起電力装置の開放電圧を大きくすることができる。また、第１半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの層を、バンドギャップが大きい非晶質半導体層により構成することにより、バンドギャップよりも小さいエネルギの光は吸収されないことからバンドギャップが大きい非晶質半導体層は光を吸収しにくいので、第１半導体層および第３半導体層の少なくとも一方における光吸収損失を小さくすることができる。これにより、効率的に第２半導体層（光電変換層）に入射光を吸収させることができるので、光起電力装置の短絡電流を大きくすることができる。また、第１半導体層、第２半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの非晶質半導体層以外の層を、結晶性を有する非単結晶半導体層により構成するとともに、結晶性を有する非単結晶半導体層のうちの少なくとも１つの層を、他の層と異なる優先結晶配向面を有するように構成することによって、たとえば、結晶性を有する非単結晶半導体層のうちの少なくとも１つの層を、凹凸形状の表面になりやすい優先結晶配向面を有するように形成すれば、他の層の表面が実質的に平坦な形状になったとしても、結晶性を有する非単結晶半導体層のうちの少なくとも１つの層の表面が凹凸形状になるので、その凹凸形状の表面により入射光を散乱させることができる。このため、第１半導体層、第２半導体層および第３半導体層を有する発電ユニットにおいて良好な光閉じ込め効果を得ることができる。これによっても、効率的に第２半導体層（光電変換層）に入射光を吸収させることができるので、光起電力装置の短絡電流を大きくすることができる。このように、一の局面では、開放電圧および短絡電流を大きくすることができるので、光起電力装置の出力特性を向上させることができる。
上記一の局面による光起電力装置において、好ましくは、第１半導体層は、非晶質半導体層を少なくとも含むとともに、光入射側とは反対の基板側に配置されており、第１半導体層を構成する非晶質半導体層は、基板側に配置されている。このように構成すれば、１つの基板上に第１半導体層、第２半導体層および第３半導体層を順次形成するとともに、基板上の第１〜第３半導体層からなる構造体のみを複数のユニットに分離することにより、１つの基板上に第１〜第３半導体層からなる複数の発電ユニットを隣接して形成する際に、第１〜第３半導体層からなる構造体を第３半導体層から第１半導体層に向かって切断する場合に、非晶質半導体層からなる第１半導体層が完全に切断されなかったとしても、非晶質半導体層は結晶性を有する非単結晶半導体層よりも導電率が低いので、非晶質半導体層からなる第１半導体層を介して隣接する発電ユニットにリーク電流が流れるのを抑制することができる。
上記一の局面による光起電力装置において、好ましくは、第３半導体層は、非晶質半導体層を少なくとも含むとともに、光入射側に配置されている。このように構成すれば、光入射側に配置された第３半導体層における光吸収損失を小さくすることができるので、より効率的に第２半導体層（光電変換層）に入射光を吸収させることができる。
上記一の局面による光起電力装置において、好ましくは、第１半導体層および第３半導体層の少なくとも一方は、複数の層により構成されており、第１半導体層および第３半導体層の少なくとも一方を構成する複数の層のうちの少なくとも１つの層が、非晶質半導体層であるとともに、他の層が、結晶性を有する非単結晶半導体層である。このように構成すれば、第１半導体層および第３半導体層の少なくとも一方を構成する層のうちのバンドギャップの大きい非晶質半導体層により、ｐｉｎ接合における内蔵電界を大きくすることができる。
この場合、好ましくは、第３半導体層は、非晶質半導体層と、結晶性を有する非単結晶半導体層とを含み、第３半導体層を構成する非晶質半導体層上に、第３半導体層を構成する結晶性を有する非単結晶半導体層が形成されており、第３半導体層を構成する結晶性を有する非単結晶半導体層上に、電極層が形成されている。このように構成すれば、結晶性を有する非単結晶半導体層は、非晶質半導体層よりも導電率が高いので、非晶質半導体層を含むように第３半導体層を構成したとしても、第３半導体層（結晶性を有する非単結晶半導体層）と電極層との接触抵抗が高くなるのを抑制することができる。これにより、光起電力装置の曲線因子の低下を抑制することができる。
上記一の局面による光起電力装置において、好ましくは、第１半導体層、第２半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの結晶性を有する非単結晶半導体層は、結晶性を有する非単結晶シリコン層を含み、第１半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの結晶性を有する非単結晶シリコン層は、（１１１）面の優先結晶配向を有する。このように構成すれば、（１１１）面の優先結晶配向を有する非単結晶シリコン層は、凹凸形状の表面になりやすいので、容易に、第１半導体層および第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの結晶性を有する非単結晶シリコン層の表面を、凹凸形状にすることができる。
この場合、好ましくは、少なくとも第２半導体層を構成する結晶性を有する非単結晶シリコン層は、（２２０）面の優先結晶配向を有する。このように構成すれば、（２２０）面の優先結晶配向を有する第２半導体層（光電変換層）は、特に良好な特性を有するので、光起電力装置の出力特性をより向上させることができる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に従って作製した実施例１による光起電力装置の構造を示した断面図である。まず、図１を参照して、本発明に従って作製した実施例１による光起電力装置の構造について説明する。
実施例１による光起電力装置では、図１に示すように、０．１５ｍｍの厚みを有する平坦なステンレス板（ＳＵＳ４３０）１ａ上に、２０μｍの厚みを有するポリイミド樹脂１ｂが形成されている。このステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって、平坦な表面を有する基板１が構成されている。基板１（ポリイミド樹脂１ｂ）上には、２００ｎｍの厚みを有するＡｇ（銀）からなる平坦な裏面電極２が形成されている。
裏面電極２上には、ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５が順次形成されている。ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５の厚みは、それぞれ、２０ｎｍ、２μｍおよび２０ｎｍである。そして、ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５によって、発電ユニットが構成されている。
ここで、実施例１では、ｎ型層３は、ｎ型非晶質Ｓｉ層からなる。また、実施例１では、光電変換層４およびｐ型層５は、それぞれ、ノンドープ微結晶Ｓｉ層およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる。また、光電変換層４は、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型層５は、（１１１）面の優先結晶配向を有する。また、光電変換層４は、実質的に平坦な形状に近い緩やかな凹凸形状の表面を有するとともに、ｐ型層５は、ピラミッド状（四角錘状）の凹凸形状の表面を有する。なお、ｎ型層３は、本発明の「第１半導体層」および「非晶質半導体層」の一例である。また、光電変換層４は、本発明の「第２半導体層」、「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。また、ｐ型層５は、本発明の「第３半導体層」、「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。
また、ｐ型層５上には、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる表面透明電極６が形成されている。表面透明電極６上の所定領域には、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極７が形成されている。そして、実施例１による光起電力装置では、集電極７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
次に、上記した実施例１による光起電力装置を実際に作製した際の作製プロセスについて説明する。
［光起電力装置の作製］
まず、図１に示すように、０．１５ｍｍの厚みを有する平坦なステンレス板１ａ上に、２０μｍの厚みを有するポリイミド樹脂１ｂを蒸着重合することによって、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１を作製した。この後、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、基板１（ポリイミド樹脂１ｂ）上に、２００ｎｍの厚みを有するＡｇからなる平坦な裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、実施例１では、ｎ型非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層４およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層５を順次形成した。この際、実施例１では、光電変換層４が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように、かつ、ｐ型層５が、（１１１）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５が、それぞれ、２０ｎｍ、２μｍおよび２０ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５の形成条件を以下の表１に示す。
Figure 0004436770
 上記表１を参照して、ｎ型非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、２６Ｐａおよび２０Ｗに設定した。また、ｎ型層３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：８０ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。
また、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび２４０Ｗに設定した。また、ｐ型層５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２０００ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
次に、上記表１に示した条件下で作製したｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。図２は、図１に示した実施例１による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。
図２を参照して、実施例１では、ｎ型層３は、回折ピークが存在しないことが判明した。また、光電変換層４の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、ｐ型層５の（１１１）回折ピークの強度は、（２２０）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。すなわち、実施例１では、ｎ型層３が、非晶質であるとともに、光電変換層４およびｐ型層５が、それぞれ、（２２０）面および（１１１）面の優先結晶配向を有することを確認することができた。
ここで、（１１１）面の優先結晶配向を有するように微結晶Ｓｉ層を形成した場合、微結晶Ｓｉ層の表面は、ピラミッド状の凹凸形状になりやすいことが知られている。その一方、（２２０）面の優先結晶配向を有するように微結晶Ｓｉ層を形成した場合、微結晶Ｓｉ層の表面は、平坦な形状になりやすいことが知られている。
これにより、実施例１では、図１に示したように、光電変換層４の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる一方、ｐ型層５の表面が、ピラミッド状の凹凸形状になったと考えられる。
次に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極６を形成した。この後、真空蒸着法を用いて、表面透明電極６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極７を形成することによって、図１に示した実施例１による光起電力装置を作製した。
次に、上記実施例１に対する比較例として、以下の比較例１〜３による光起電力装置を作製した。
（比較例１）
図３は、比較例１による光起電力装置の構造を示した断面図であり、図４は、図３に示した比較例１による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。次に、図３および図４を参照して、比較例１による光起電力装置の作製プロセスについて説明する。なお、比較例１では、上記実施例１と異なり、非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層と、（２２０）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層およびｐ型層とを形成した。
［光起電力装置の作製］
まず、図３に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、比較例１では、ｎ型非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層１３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層１４およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層１５を順次形成した。この際、比較例１では、光電変換層１４およびｐ型層１５が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層１３、光電変換層１４およびｐ型層１５が、それぞれ、２０ｎｍ、２μｍおよび２０ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層１３、光電変換層１４およびｐ型層１５の形成条件を以下の表２に示す。
Figure 0004436770
 上記表２を参照して、ｎ型非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層１３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、２６Ｐａおよび２０Ｗに設定した。また、ｎ型層１３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：８０ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。なお、ｎ型層１３の形成条件は、上記実施例１のｎ型層３の形成条件と同じである。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層１４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層１４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。なお、光電変換層１４の形成条件は、上記実施例１の光電変換層４の形成条件と同じである。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層１５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび６０Ｗに設定した。また、ｐ型層１５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１５０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
次に、上記表２に示した条件下で作製したｎ型層１３、光電変換層１４およびｐ型層１５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。
比較例１では、図４に示すように、ｎ型層１３は、回折ピークが存在しないことが判明した。また、光電変換層１４およびｐ型層１５は、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、光電変換層１４およびｐ型層１５の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。すなわち、比較例１では、ｎ型層１３が非晶質であるとともに、光電変換層１４およびｐ型層１５が、（２２０）面の優先結晶配向を有することを確認することができた。これにより、比較例１では、図３に示したように、光電変換層１４およびｐ型層１５の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層１５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極１６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極１６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極１７を形成した。このようにして、図３に示した比較例１による光起電力装置を作製した。なお、比較例１による光起電力装置では、集電極１７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
（比較例２）
図５は、比較例２による光起電力装置の構造を示した断面図であり、図６は、図５に示した比較例２による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。次に、図５および図６を参照して、比較例２による光起電力装置の作製プロセスについて説明する。なお、比較例２では、上記実施例１と異なり、（２２０）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層、光電変換層およびｐ型層を形成した。
［光起電力装置の作製］
まず、図５に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、比較例２では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層２３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層２４およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層２５を順次形成した。この際、比較例２では、ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５が、それぞれ、２０ｎｍ、２μｍおよび２０ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５の形成条件を以下の表３に示す。
Figure 0004436770
 上記表３を参照して、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層２３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層２３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：３ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．６ｓｃｃｍに設定した。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層２４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層２４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。なお、光電変換層２４の形成条件は、上記実施例１の光電変換層４の形成条件と同じである。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層２５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび６０Ｗに設定した。また、ｐ型層２５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１５０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。なお、ｐ型層２５の形成条件は、上記比較例１のｐ型層１５の形成条件と同じである。
次に、上記表３に示した条件下で作製したｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。
比較例２では、図６に示すように、ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５は、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。すなわち、比較例２では、ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５が、（２２０）面の優先結晶配向を有することを確認することができた。これにより、比較例２では、図５に示したように、ｎ型層２３、光電変換層２４およびｐ型層２５の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層２５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極２６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極２６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極２７を形成した。このようにして、図５に示した比較例２による光起電力装置を作製した。なお、比較例２による光起電力装置では、集電極２７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
（比較例３）
図７は、比較例３による光起電力装置の構造を示した断面図であり、図８は、図７に示した比較例３による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。次に、図７および図８を参照して、比較例３による光起電力装置の作製プロセスについて説明する。なお、比較例３では、上記実施例１と異なり、（２２０）面の優先結晶配向を有する微結晶シリコン層からなるｎ型層および光電変換層と、（１１１）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層とを形成した。
［光起電力装置の作製］
まず、図７に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、比較例３では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層３３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層３４およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層３５を順次形成した。この際、比較例３では、ｎ型層３３および光電変換層３４が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように、かつ、ｐ型層３５が、（１１１）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層３３、光電変換層３４およびｐ型層３５が、それぞれ、２０ｎｍ、２μｍおよび２０ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層３３、光電変換層３４およびｐ型層３５の形成条件を以下の表４に示す。
Figure 0004436770
 上記表４を参照して、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層３３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層３３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：３ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．６ｓｃｃｍに設定した。なお、ｎ型層３３の形成条件は、上記比較例２のｎ型層２３の形成条件と同じである。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層３４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層３４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。なお、光電変換層３４の形成条件は、上記実施例１の光電変換層４の形成条件と同じである。
また、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層３５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび２４０Ｗに設定した。また、ｐ型層３５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２０００ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。なお、ｐ型層３５の形成条件は、上記実施例１のｐ型層５の形成条件と同じである。
次に、上記表４に示した条件下で作製したｎ型層３３、光電変換層３４およびｐ型層３５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。
比較例３では、図８に示すように、ｎ型層３３および光電変換層３４は、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、ｎ型層３３および光電変換層３４の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、ｐ型層３５の（１１１）回折ピークの強度は、（２２０）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。すなわち、比較例３では、ｎ型層３３および光電変換層３４が、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型層３５が、（１１１）面の優先結晶配向を有することを確認することができた。これにより、比較例３では、図７に示したように、ｎ型層３３および光電変換層３４の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる一方、ｐ型層３５の表面が、ピラミッド状の凹凸形状になったと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層３５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極３６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極３６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極３７を形成した。このようにして、図７に示した比較例３による光起電力装置を作製した。なお、比較例３による光起電力装置では、集電極３７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
（実施例１および比較例１〜３共通）
［出力特性実験］
次に、上記のようにして作製した実施例１および比較例１〜３による光起電力装置について、光スペクトル：ＡＭ１．５、光強度：１００ｍＷ／ｃｍ２、および、測定温度：２５℃の擬似太陽光照射条件下で出力特性を測定した。ここで、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）とは、地球大気に入射する直達太陽光が通過する路程の標準状態の大気（標準気圧１０１３ｈＰａ）に垂直に入射した場合の路程に対する比である。この測定結果を以下の表５に示す。なお、表５中の規格化変換効率、規格化開放電圧および規格化短絡電流の値は、それぞれ、比較例２の変換効率、開放電圧および短絡電流を基準（「１」）として規格化した値である。
Figure 0004436770
 上記表５を参照して、ｎ型層がｎ型非晶質Ｓｉ層からなる場合において、ｐ型層５が（１１１）面の優先結晶配向を有する実施例１は、ｐ型層１５が（２２０）面の優先結晶配向を有する比較例１よりも、短絡電流が大きくなることが判明した。具体的には、実施例１および比較例１の規格化短絡電流は、それぞれ、１．０３および１．０１であった。この結果から、実施例１では、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するｐ型層５が配置された表面側において、入射光が散乱することにより良好な光閉じ込め効果を得ることができたので、入射光を効率的に光電変換層４に吸収させることができたと考えられる。その一方、比較例１では、表面側に配置されたｐ型層１５の表面が実質的に平坦な形状に近づいたので、表面側において良好な光閉じ込め効果を得るのが困難であったと考えられる。なお、実施例１および比較例１の規格化開放電圧は、１．０３であった。
また、実施例１と比較例１とを比較した場合、実施例１の変換効率（１．０４）の方が、比較例１の変換効率（１．０２）よりも高くなることが判明した。この結果から、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するｐ型層５を表面側に配置することにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
また、上記表５を参照して、発電ユニットを構成する半導体各層のうちのｎ型層３が非晶質Ｓｉ層である実施例１は、発電ユニットを構成する半導体各層の全てが微結晶Ｓｉ層である比較例２および３よりも、開放電圧が大きくなることが判明した。具体的には、実施例１の規格化開放電圧は、１．０３であり、比較例２および３の規格化開放電圧は、それぞれ、１．００および０．９９であった。この結果から、実施例１では、ｎ型層３を微結晶Ｓｉ層よりもバンドギャップの大きい非晶質Ｓｉ層により構成することにより、ｎ型層３と、光電変換層４と、ｐ型層５とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界を大きくすることができたと考えられる。その一方、比較例２および３では、発電ユニットを構成する半導体各層の全てがバンドギャップの小さい微結晶Ｓｉ層であるために、ｎ型層２３（３３）と、光電変換層２４（３４）と、ｐ型層２５（３５）とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界が実施例１よりも小さくなったと考えられる。
また、発電ユニットを構成する半導体各層のうちのｎ型層３が非晶質Ｓｉ層である実施例１は、発電ユニットを構成する半導体各層の全てが微結晶Ｓｉ層である比較例２および３よりも、短絡電流が大きくなることが判明した。具体的には、実施例１の規格化短絡電流は、１．０３であり、比較例２および３の規格化短絡電流は、それぞれ、１．００および１．０１であった。この結果から、実施例１では、ｎ型層３を微結晶Ｓｉ層よりもバンドギャップの大きい非晶質Ｓｉ層により構成することにより、ｎ型層３における光吸収損失を小さくすることができたので、入射光を効率的に光電変換層４に吸収させることができたと考えられる。その一方、比較例２および３では、ｎ型層２３（３３）がバンドギャップの小さい微結晶Ｓｉ層であるために、ｎ型層２３（３３）における光吸収損失が実施例１よりも大きくなったので、光電変換層２４（３４）による入射光の吸収が実施例１よりも少なくなったと考えられる。また、比較例２では、表面側に配置されたｐ型層２５の表面が実質的に平坦な形状に近づいたために、上記比較例１と同様、表面側において良好な光閉じ込め効果を得るのが困難であったとも考えられる。
また、実施例１と、比較例２および３とを比較した場合、実施例１の変換効率（１．０４）の方が、比較例２の変換効率（１．００）および比較例３の変換効率（１．０１）よりも高くなることが判明した。この結果から、ｎ型層３を非晶質Ｓｉ層により構成することにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
実施例１では、上記のように、発電ユニットを構成する半導体各層のうち、ｎ型層３を、非晶質Ｓｉ層により構成することによって、非晶質Ｓｉ層は、微結晶Ｓｉ層に比べてバンドギャップが大きいので、ｎ型層３のフェルミレベルとｐ型層５のフェルミレベルとの電位差である内蔵電界を大きくすることができる。これにより、光起電力装置の開放電圧を大きくすることができる。また、ｎ型層３を構成する非晶質Ｓｉ層のバンドギャップが大きいことにより、バンドギャップよりも小さいエネルギの光は吸収されないことからバンドギャップが大きい非晶質Ｓｉ層は光を吸収しにくいので、ｎ型層３における光吸収損失を小さくすることができる。これにより、効率的に光電変換層４に入射光を吸収させることができるので、光起電力装置の短絡電流を大きくすることができる。また、実施例１では、発電ユニットを構成する半導体各層のうち、微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層５を、（１１１）面の優先結晶配向を有するように形成することによって、（１１１）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層は、凹凸形状の表面になりやすいので、ｐ型層５以外の他の半導体層の表面が実質的に平坦な形状に近づいたとしても、ｐ型層５の表面が凹凸形状になるので、その凹凸形状の表面により入射光を散乱させることができる。このため、ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５を有する発電ユニットにおいて良好な光閉じ込め効果を得ることができる。これによっても、効率的に光電変換層４に入射光を吸収させることができるので、光起電力装置の短絡電流を大きくすることができる。このように、実施例１では、開放電圧および短絡電流を大きくすることができるので、光起電力装置の出力特性を向上させることができる。
また、実施例１では、非晶質Ｓｉ層により構成されるｎ型層３を、基板１側に配置することによって、１つの基板１上にｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５を順次形成するとともに、基板１上のｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５からなる構造体のみを複数のユニットに分離することにより、１つの基板１上にｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５からなる複数の発電ユニットを隣接して形成する際に、ｎ型層３、光電変換層４およびｐ型層５からなる構造体をｐ型層５からｎ型層３に向かって切断する場合に、非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層３が完全に切断されなかったとしても、非晶質Ｓｉ層は微結晶Ｓｉ層よりも導電率が低いので、非晶質Ｓｉ層からなるｎ型層３を介して隣接する発電ユニットにリーク電流が流れるのを抑制することができる。
また、実施例１では、光電変換層４を、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成することによって、（２２０）面を有する光電変換層４は、特に良好な特性を有するので、光起電力装置の出力特性をより向上させることができる。
（実施例２）
図９は、本発明に従って作製した実施例２による光起電力装置の構造を示した断面図である。図９を参照して、この実施例２では、上記実施例１と異なり、ｎ型層および光電変換層が、それぞれ、（１１１）面および（２２０）面の優先結晶配向を有し、かつ、ｐ型層が、非晶質である場合について説明する。以下に、本発明に従って作製した実施例２による光起電力装置の構造について説明する。
この実施例２による光起電力装置では、図９に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２が形成されている。
裏面電極２上には、ｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５が順次形成されている。ｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５の厚みは、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍおよび１５ｎｍである。そして、ｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５によって、発電ユニットが構成されている。
ここで、実施例２では、ｐ型層４５は、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる。また、実施例２では、ｎ型層４３および光電変換層４４は、それぞれ、ｎ型微結晶Ｓｉ層およびノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる。また、ｎ型層４３は、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、光電変換層４４は、（２２０）面の優先結晶配向を有する。また、ｎ型層４３は、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するとともに、光電変換層４４は、実質的に平坦な形状に近い緩やかな凹凸形状の表面を有する。なお、ｎ型層４３は、本発明の「第１半導体層」、「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。また、光電変換層４４は、本発明の「第２半導体層」、「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。また、ｐ型層４５は、本発明の「第３半導体層」および「非晶質半導体層」の一例である。
また、ｐ型層４５上には、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極４６が形成されている。表面透明電極４６上の所定領域には、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極４７が形成されている。そして、実施例２による光起電力装置では、集電極４７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
次に、上記した実施例２による光起電力装置を実際に作製した際の作製プロセスについて説明する。
［光起電力装置の作製］
まず、図９に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、実施例２では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層４３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層４４およびｐ型非晶質ＳｉＣ層からなるｐ型層４５を順次形成した。この際、実施例２では、ｎ型層４３が、（１１１）面の優先結晶配向を有するように、かつ、光電変換層４４が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５が、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍおよび１５ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５の形成条件を以下の表６に示す。
Figure 0004436770
 上記表６を参照して、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層４３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層４３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：３ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．６ｓｃｃｍに設定した。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層４４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層４４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。
また、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなるｐ型層４５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、３３Ｐａおよび１０Ｗに設定した。また、ｐ型層４５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１９０ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス：１０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．４ｓｃｃｍに設定した。
次に、上記表６に示した条件下で作製したｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。図１０は、図９に示した実施例２による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。
図１０を参照して、実施例２では、ｎ型層４３の（１１１）回折ピークの強度は、（２２０）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、光電変換層４４の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、ｐ型層４５は、回折ピークが存在しないことが判明した。すなわち、実施例２では、ｎ型層４３および光電変換層４４が、それぞれ、（１１１）面および（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型層４５が、非晶質であることを確認することができた。これにより、実施例２では、図９に示したように、ｎ型層４３の表面が、ピラミッド状の凹凸形状になったと考えられる一方、光電変換層４４の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層４５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極４６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極４６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極４７を形成した。このようにして、図９に示した実施例２による光起電力装置を作製した。
次に、上記実施例２に対する比較例として、以下の比較例４および５による光起電力装置を作製した。
（比較例４）
図１１は、比較例４による光起電力装置の構造を示した断面図であり、図１２は、図１１に示した比較例４による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。次に、図１１および図１２を参照して、比較例４による光起電力装置の作製プロセスについて説明する。なお、比較例４では、上記実施例２と異なり、（２２０）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層および光電変換層と、非晶質ＳｉＣ層からなるｐ型層とを形成した。
［光起電力装置の作製］
まず、図１１に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、比較例４では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層５３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層５４およびｐ型非晶質ＳｉＣ層からなるｐ型層５５を順次形成した。この際、比較例４では、ｎ型層５３および光電変換層５４が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層５３、光電変換層５４およびｐ型層５５が、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍおよび１５ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層５３、光電変換層５４およびｐ型層５５の形成条件を以下の表７に示す。
Figure 0004436770
 上記表７を参照して、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層５３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層５３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層５４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層５４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。なお、光電変換層５４の形成条件は、上記実施例２の光電変換層４４の形成条件と同じである。
また、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなるｐ型層５５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、３３Ｐａおよび１０Ｗに設定した。また、ｐ型層５５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１９０ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス：１０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．４ｓｃｃｍに設定した。なお、ｐ型層５５の形成条件は、上記実施例２のｐ型層４５の形成条件と同じである。
次に、上記表７に示した条件下で作製したｎ型層５３、光電変換層５４およびｐ型層５５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。
比較例４では、図１２に示すように、ｎ型層５３および光電変換層５４は、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、ｎ型層５３および光電変換層５４の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、ｐ型層５５は、回折ピークが存在しないことが判明した。すなわち、比較例４では、ｎ型層５３および光電変換層５４が、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型層５５が、非晶質であることを確認することができた。これにより、比較例４では、図１１に示したように、ｎ型層５３および光電変換層５４の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層５５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極５６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極５６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極５７を形成した。このようにして、図１１に示した比較例４による光起電力装置を作製した。なお、比較例４による光起電力装置では、集電極５７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
（比較例５）
図１３は、比較例５による光起電力装置の構造を示した断面図であり、図１４は、図１３に示した比較例５による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。次に、図１３および図１４を参照して、比較例５による光起電力装置の作製プロセスについて説明する。なお、比較例５では、上記実施例２と異なり、（１１１）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層と、（２２０）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層およびｐ型層とを形成した。
［光起電力装置の作製］
まず、図１３に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、比較例５では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層６３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層６４およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層６５を順次形成した。この際、比較例５では、ｎ型層６３が、（１１１）面の優先結晶配向を有するように、かつ、光電変換層６４およびｐ型層６５が、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層６３、光電変換層６４およびｐ型層６５が、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍおよび１５ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層６３、光電変換層６４およびｐ型層６５の形成条件を以下の表８に示す。
Figure 0004436770
 上記表８を参照して、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層６３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層６３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：３ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．６ｓｃｃｍに設定した。なお、ｎ型層６３の形成条件は、上記実施例２のｎ型層４３の形成条件と同じである。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層６４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層６４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。なお、光電変換層６４の形成条件は、上記実施例２の光電変換層４４の形成条件と同じである。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層６５を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび６０Ｗに設定した。また、ｐ型層６５を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１５０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
次に、上記表８に示した条件下で作製したｎ型層６３、光電変換層６４およびｐ型層６５のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。
比較例５では、図１４に示すように、ｎ型層６３の（１１１）回折ピークの強度は、（２２０）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、光電変換層６４およびｐ型層６５は、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、光電変換層６４およびｐ型層６５の（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。すなわち、比較例５では、ｎ型層６３が、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、光電変換層６４およびｐ型層６５が、（２２０）面の優先結晶配向を有することを確認することができた。これにより、比較例５では、図１３に示したように、ｎ型層６３の表面が、ピラミッド状の凹凸形状になったと考えられる一方、光電変換層６４およびｐ型層６５の表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層６５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極６６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極６６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極６７を形成した。このようにして、図１３に示した比較例５による光起電力装置を作製した。なお、比較例５による光起電力装置では、集電極６７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
（実施例２、比較例４および５共通）
［出力特性実験］
次に、上記のようにして作製した実施例２、比較例４および５による光起電力装置について、上記実施例１および比較例１〜３による光起電力装置について行った出力特性実験と同じ出力特性実験を行った。すなわち、光スペクトル：ＡＭ１．５、光強度：１００ｍＷ／ｃｍ２、および、測定温度：２５℃の擬似太陽光照射条件下で出力特性を測定した。この測定結果を以下の表９に示す。なお、表９中の規格化変換効率、規格化開放電圧および規格化短絡電流の値は、それぞれ、比較例２の変換効率、開放電圧および短絡電流を基準（「１」）として規格化した値である。
Figure 0004436770
 上記表９を参照して、ｐ型層がｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる場合において、ｎ型層４３が（１１１）面の優先結晶配向を有する実施例２は、ｎ型層５３が（２２０）面の優先結晶配向を有する比較例４よりも、短絡電流が大きくなることが判明した。具体的には、実施例２および比較例４の規格化短絡電流は、それぞれ、１．０２および１．０１であった。この結果から、実施例２では、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するｎ型層４３が配置された裏面側において、入射光が散乱することにより良好な光閉じ込め効果を得ることができたので、入射光を効率的に光電変換層４４に吸収させることができたと考えられる。その一方、比較例４では、裏面側に配置されたｎ型層５３の表面が実質的に平坦な形状に近づいたので、裏面側において良好な光閉じ込め効果を得るのが困難であったと考えられる。なお、実施例２および比較例４の規格化開放電圧は、それぞれ、１．０５および１．０４であった。
また、実施例２と比較例４とを比較した場合、実施例２の変換効率（１．０５）の方が、比較例４の変換効率（１．０２）よりも高くなることが判明した。この結果から、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するｎ型層４３を裏面側に配置することにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
また、上記表９を参照して、発電ユニットを構成する半導体各層のうちのｐ型層４５が非晶質ＳｉＣ層である実施例２は、発電ユニットを構成する半導体各層の全てが微結晶Ｓｉ層である比較例２および５よりも、開放電圧が大きくなることが判明した。具体的には、実施例２の規格化開放電圧は、１．０５であり、比較例２および５の規格化開放電圧は、それぞれ、１．００および０．９９であった。この結果から、実施例２では、ｐ型層４５をバンドギャップの大きい非晶質ＳｉＣ層により構成することにより、ｎ型層４３と、光電変換層４４と、ｐ型層４５とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界を大きくすることができたと考えられる。その一方、比較例２および５では、発電ユニットを構成する半導体各層の全てがバンドギャップの小さい微結晶Ｓｉ層であるために、ｎ型層２３（６３）と、光電変換層２４（６４）と、ｐ型層２５（６５）とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界が実施例２よりも小さくなったと考えられる。
また、発電ユニットを構成する半導体各層のうちのｐ型層４５が非晶質ＳｉＣ層である実施例２は、発電ユニットを構成する半導体各層の全てが微結晶Ｓｉ層である比較例２および５よりも、短絡電流が大きくなることが判明した。具体的には、実施例２の規格化短絡電流は、１．０２であり、比較例２および５の規格化短絡電流は、それぞれ、１．００および１．０１であった。この結果から、実施例２では、ｐ型層４５をバンドギャップの大きい非晶質ＳｉＣ層により構成することにより、ｐ型層４５における光吸収損失を小さくすることができたので、入射光を効率的に光電変換層４４に吸収させることができたと考えられる。その一方、比較例２および５では、ｎ型層２３（６３）がバンドギャップの小さい微結晶Ｓｉ層であるために、ｎ型層２３（６３）における光吸収損失が実施例２よりも大きくなったので、光電変換層２４（６４）による入射光の吸収が実施例２よりも少なくなったと考えられる。
また、実施例２と、比較例２および５とを比較した場合、実施例２の変換効率（１．０５）の方が、比較例２の変換効率（１．００）および比較例５の変換効率（１．００）よりも高くなることが判明した。この結果から、ｐ型層４５を非晶質ＳｉＣ層により構成することにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
実施例２では、上記のように、発電ユニットを構成する半導体各層のうち、ｐ型層４５を、非晶質ＳｉＣ層により構成することによって、非晶質ＳｉＣ層は、微結晶Ｓｉ層に比べてバンドギャップが大きいので、ｎ型層４３のフェルミレベルとｐ型層４５のフェルミレベルとの電位差である内蔵電界を大きくすることができる。これにより、光起電力装置の開放電圧を大きくすることができる。また、ｐ型層４５を構成する非晶質ＳｉＣ層のバンドギャップが大きいことにより、バンドギャップよりも小さいエネルギの光は吸収されないことからバンドギャップが大きい非晶質ＳｉＣ層は光を吸収しにくいので、ｐ型層４５における光吸収損失を小さくすることができる。これにより、効率的に光電変換層４４に入射光を吸収させることができるので、光起電力装置の短絡電流を大きくすることができる。また、実施例２では、発電ユニットを構成する半導体各層のうち、微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層４３を、（１１１）面の優先結晶配向を有するように形成することによって、ｎ型層４３以外の他の半導体層の表面が実質的に平坦な形状に近づいたとしても、ｎ型層４３の表面が凹凸形状になるので、その凹凸形状の表面により入射光を散乱させることができる。このため、ｎ型層４３、光電変換層４４およびｐ型層４５を有する発電ユニットにおいて良好な光閉じ込め効果を得ることができる。これによっても、効率的に光電変換層４４に入射光を吸収させることができるので、光起電力装置の短絡電流を大きくすることができる。このように、実施例２では、開放電圧および短絡電流を大きくすることができるので、光起電力装置の出力特性を向上させることができる。
また、実施例２では、非晶質ＳｉＣ層により構成されるｐ型層４５を、光入射側に配置することによって、光入射側に配置されたｐ型層４５における光吸収損失を小さくすることができるので、より効率的に光電変換層４４に入射光を吸収させることができる。
また、実施例２では、光電変換層４４を、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成することによって、（２２０）面を有する光電変換層４４は、特に良好な特性を有するので、光起電力装置の出力特性をより向上させることができる。
（実施例３）
図１５は、本発明に従って作製した実施例３による光起電力装置の構造を示した断面図である。図１５を参照して、この実施例３では、上記実施例１および２と異なり、ｐ型層が２層構造である場合について説明する。以下に、本発明に従って作製した実施例３による光起電力装置の構造について説明する。
この実施例３による光起電力装置では、図１５に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２が形成されている。
裏面電極２上には、ｎ型層７３、光電変換層７４およびｐ型層７５が順次形成されている。ｎ型層７３、光電変換層７４およびｐ型層７５の厚みは、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍおよび２０ｎｍである。また、ｐ型層７５は、光電変換層７４上に形成された１５ｎｍの厚みを有する第１ｐ型層７５ａと、第１ｐ型層７５ａ上に形成された５ｎｍの厚みを有する第２ｐ型層７５ｂとを含んでいる。そして、ｎ型層７３、光電変換層７４およびｐ型層７５によって、発電ユニットが構成されている。
ここで、実施例３では、第１ｐ型層７５ａは、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる。また、ｎ型層７３、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂは、それぞれ、ｎ型微結晶Ｓｉ層、ノンドープ微結晶Ｓｉ層およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる。また、実施例３では、ｎ型層７３は、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂは、（２２０）面の優先結晶配向を有する。また、ｎ型層７３は、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するとともに、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂは、実質的に平坦な形状に近い緩やかな凹凸形状の表面を有する。なお、ｎ型層７３は、本発明の「第１半導体層」、「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。また、光電変換層７４は、本発明の「第２半導体層」、「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。また、ｐ型層７５は、本発明の「第３半導体層」の一例である。また、第１ｐ型層７５ａは、本発明の「非晶質半導体層」の一例であり、第２ｐ型層７５ｂは、本発明の「非単結晶半導体層」および「非単結晶シリコン層」の一例である。
また、ｐ型層７５（第２ｐ型層７５ｂ）上には、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極７６が形成されている。なお、表面透明電極７６は、本発明の「電極層」の一例である。表面透明電極７６上の所定領域には、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極７７が形成されている。そして、実施例３による光起電力装置では、集電極７７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
次に、上記した実施例３による光起電力装置を実際に作製した際の作製プロセスについて説明する。
［光起電力装置の作製］
まず、図１５に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、実施例３では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層７３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層７４およびｐ型層７５を順次形成した。なお、ｐ型層７５を形成する際には、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層７５ａおよびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層７５ｂを順次形成した。また、実施例３では、ｎ型層７３が、（１１１）面の優先結晶配向を有するように、かつ、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂが、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層７３、光電変換層７４、第１ｐ型層７５ａおよび第２ｐ型層７５ｂが、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍ、１５ｎｍおよび５ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層７３、光電変換層７４、第１ｐ型層７５ａおよび第２ｐ型層７５ｂの形成条件を以下の表１０に示す。
Figure 0004436770
 上記表１０を参照して、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層７３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層７３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：３ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．６ｓｃｃｍに設定した。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層７４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層７４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。
また、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層７５ａを形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、３３Ｐａおよび１０Ｗに設定した。また、第１ｐ型層７５ａを形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１９０ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス：１０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．４ｓｃｃｍに設定した。
また、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層７５ｂを形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび６０Ｗに設定した。また、第２ｐ型層７５ｂを形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１５０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
次に、上記表１０に示した条件下で作製したｎ型層７３、光電変換層７４、第１ｐ型層７５ａおよび第２ｐ型層７５ｂのそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。図１６は、図１５に示した実施例３による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。
図１６を参照して、実施例３では、ｎ型層７３の（１１１）回折ピークの強度は、（２２０）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂは、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂの（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、第１ｐ型層７５ａは、回折ピークが存在しないことが判明した。すなわち、実施例３では、ｎ型層７３が、（１１１）面の優先結晶配向を有するとともに、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂが、（２２０）面の優先結晶配向を有し、かつ、第１ｐ型層７５ａが、非晶質であることを確認することができた。これにより、実施例３では、図１５に示したように、ｎ型層７３の表面が、ピラミッド状の凹凸形状になったと考えられる一方、光電変換層７４および第２ｐ型層７５ｂの表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層７５（第２ｐ型層７５ｂ）上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極７６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極７６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極７７を形成した。このようにして、図１５に示した実施例３による光起電力装置を作製した。
次に、上記実施例３に対する比較例として、以下の比較例６による光起電力装置を作製した。
（比較例６）
図１７は、比較例６による光起電力装置の構造を示した断面図であり、図１８は、図１７に示した比較例６による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。次に、図１７および図１８を参照して、比較例６による光起電力装置の作製プロセスについて説明する。なお、比較例６では、上記実施例３と異なり、（２２０）面の優先結晶配向を有する微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層、光電変換層および第２ｐ型層と、非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層とを形成した。
［光起電力装置の作製］
まず、図１７に示すように、上記実施例１と同様、ステンレス板１ａとポリイミド樹脂１ｂとによって構成される基板１上に、裏面電極２を形成した。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、裏面電極２上に、発電ユニットを構成する半導体各層を順次形成した。
具体的には、比較例６では、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層８３、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層８４およびｐ型層８５を順次形成した。なお、ｐ型層８５を形成する際には、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層８５ａおよびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層８５ｂを順次形成した。また、比較例６では、ｎ型層８３、光電変換層８４および第２ｐ型層８５ｂが、（２２０）面の優先結晶配向を有するように形成した。また、ｎ型層８３、光電変換層８４、第１ｐ型層８５ａおよび第２ｐ型層８５ｂが、それぞれ、５０ｎｍ、２μｍ、１５ｎｍおよび５ｎｍの厚みを有するように形成した。ｎ型層８３、光電変換層８４、第１ｐ型層８５ａおよび第２ｐ型層８５ｂの形成条件を以下の表１１に示す。
Figure 0004436770
 上記表１１を参照して、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層８３を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび１００Ｗに設定した。また、ｎ型層８３を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：２００ｓｃｃｍおよびＰＨ３ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。
また、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、ノンドープ微結晶Ｓｉ層からなる光電変換層８４を形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、２００℃、１３３Ｐａおよび３０Ｗに設定した。また、光電変換層８４を形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２０ｓｃｃｍおよびＨ２ガス：４００ｓｃｃｍに設定した。なお、光電変換層８４の形成条件は、上記実施例３の光電変換層７４の形成条件と同じである。
また、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層８５ａを形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、３３Ｐａおよび１０Ｗに設定した。また、第１ｐ型層８５ａを形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１９０ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス：１０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．４ｓｃｃｍに設定した。なお、第１ｐ型層８５ａの形成条件は、上記実施例３の第１ｐ型層７５ａの形成条件と同じである。
また、ｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層８５ｂを形成する際には、基板温度、反応圧力および高周波電力を、それぞれ、１６０℃、１３３Ｐａおよび６０Ｗに設定した。また、第２ｐ型層８５ｂを形成する際のガス流量を、ＳｉＨ４ガス：２ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス：１５０ｓｃｃｍおよびＢ２Ｈ６ガス：０．２ｓｃｃｍに設定した。なお、第２ｐ型層８５ｂの形成条件は、上記実施例３の第２ｐ型層７５ｂの形成条件と同じである。
次に、上記表１１に示した条件下で作製したｎ型層８３、光電変換層８４、第１ｐ型層８５ａおよび第２ｐ型層８５ｂのそれぞれのＸ線回折ピークの強度を測定した。
比較例６では、図１８に示すように、ｎ型層８３、光電変換層８４および第２ｐ型層８５ｂは、ほぼ同様のＸ線回折スペクトルを有し、ｎ型層８３、光電変換層８４および第２ｐ型層８５ｂの（２２０）回折ピークの強度は、（１１１）回折ピークの強度よりも高いことが判明した。また、第１ｐ型層８５ａは、回折ピークが存在しないことが判明した。すなわち、比較例６では、ｎ型層８３、光電変換層８４および第２ｐ型層８５ｂが、（２２０）面の優先結晶配向を有するとともに、第１ｐ型層８５ａが、非晶質であることを確認することができた。これにより、比較例６では、図１７に示したように、ｎ型層８３、光電変換層８４および第２ｐ型層８５ｂの表面が、実質的に平坦な形状に近づいたと考えられる。
次に、上記実施例１と同様、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ｐ型層８５上に、８０ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面透明電極８６を形成した。また、真空蒸着法を用いて、表面透明電極８６上の所定領域に、２μｍの厚みを有するＡｇからなる集電極８７を形成した。このようにして、図１７に示した比較例６による光起電力装置を作製した。なお、比較例６による光起電力装置では、集電極８７が形成された側（ｐ側）から光が入射される。
（実施例３および比較例６共通）
［出力特性実験］
次に、上記のようにして作製した実施例３および比較例６による光起電力装置について、上記実施例１および比較例１〜３による光起電力装置について行った出力特性実験と同じ出力特性実験を行った。すなわち、光スペクトル：ＡＭ１．５、光強度：１００ｍＷ／ｃｍ２、および、測定温度：２５℃の擬似太陽光照射条件下で出力特性を測定した。この測定結果を以下の表１２に示す。なお、表９中の規格化変換効率、規格化開放電圧、規格化短絡電流および規格化曲線因子の値は、それぞれ、比較例２の変換効率、開放電圧、短絡電流および曲線因子を基準（「１」）として規格化した値である。
Figure 0004436770
 上記表１２を参照して、ｐ型層７５を、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層７５ａおよびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層７５ｂが順次積層された２層構造にするとともに、第２ｐ型層７５ｂ上に表面透明電極７６を形成した実施例３は、非晶質ＳｉＣ層からなる単層構造のｐ型層４５上に表面透明電極４６を形成した実施例２よりも、曲線因子の低下が抑制されることが判明した。具体的には、実施例３および２の規格化曲線因子は、それぞれ、１．００および０．９８であった。この結果から、実施例３では、ｐ型層７５を構成する第２ｐ型層（微結晶Ｓｉ層）上に表面透明電極７６を形成することにより、ｐ型層７５と表面透明電極７６との接触抵抗が高くなるのを抑制することができたと考えられる。その一方、実施例２では、ＳｉＣ層からなる単層構造のｐ型層４５上に表面透明電極４６を形成したために、ｐ型層４５と表面透明電極４６との接触抵抗が高くなったと考えられる。なお、実施例３および２の規格化開放電圧は、１．０５であり、規格化短絡電流は、１．０２であった。
また、実施例３と実施例２とを比較した場合、実施例３の変換効率（１．０７）の方が、実施例２の変換効率（１．０５）よりも高くなることが判明した。この結果から、ｐ型層７５を、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層７５ａおよびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層７５ｂが順次積層された２層構造にすることにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
また、上記表１２を参照して、ｐ型層が２層構造であるとともに、ｐ型層を構成する第１ｐ型層がｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる場合において、ｎ型層７３が（１１１）面の優先結晶配向を有する実施例３は、ｎ型層８３が（２２０）面の優先結晶配向を有する比較例６よりも、短絡電流が大きくなることが判明した。具体的には、実施例３および比較例６の規格化短絡電流は、それぞれ、１．０２および０．９９であった。この結果から、実施例３では、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するｎ型層７３が配置された裏面側において、入射光が散乱することにより良好な光閉じ込め効果を得ることができたので、入射光を効率的に光電変換層７４に吸収させることができたと考えられる。その一方、比較例６では、裏面側に配置されたｎ型層８３の表面が実質的に平坦な形状に近づいたので、裏面側において良好な光閉じ込め効果を得るのが困難であったと考えられる。なお、実施例３および比較例６の規格化開放電圧は、それぞれ、１．０５および１．０４であり、規格化曲線因子は、それぞれ、１．００および０．９９であった。
また、実施例３と比較例６とを比較した場合、実施例３の変換効率（１．０７）の方が、比較例６の変換効率（１．０２）よりも高くなることが判明した。この結果から、ピラミッド状の凹凸形状の表面を有するｎ型層７３を裏面側に配置することにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
また、上記表１２を参照して、発電ユニットを構成する半導体各層のうちの第１ｐ型層７５ａが非晶質ＳｉＣ層である実施例３は、発電ユニットを構成する半導体各層の全てが微結晶Ｓｉ層である比較例２よりも、開放電圧が大きくなることが判明した。具体的には、実施例３および比較例２の規格化開放電圧は、それぞれ、１．０５および１．００であった。この結果から、実施例３では、ｐ型層７５を、第１ｐ型層７５ａおよび第２ｐ型層７５ｂが順次積層された２層構造にするとともに、第１ｐ型層７５ａを、バンドギャップの大きいｐ型非晶質ＳｉＣ層により構成することにより、ｎ型層７３と、光電変換層７４と、ｐ型層７５とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界を大きくすることができたと考えられる。その一方、比較例２では、発電ユニットを構成する半導体各層の全てがバンドギャップの小さい微結晶Ｓｉ層であるために、ｎ型層２３と、光電変換層２４と、ｐ型層２５とにより形成されるｐｉｎ接合における内蔵電界が実施例３よりも小さくなったと考えられる。
また、発電ユニットを構成する半導体各層のうちの第１ｐ型層７５ａが非晶質ＳｉＣ層である実施例３は、発電ユニットを構成する半導体各層の全てが微結晶Ｓｉ層である比較例２よりも、短絡電流が大きくなることが判明した。具体的には、実施例３および比較例２の規格化短絡電流は、それぞれ、１．０２および１．００であった。この結果から、実施例３では、ｐ型層７５を、第１ｐ型層７５ａおよび第２ｐ型層７５ｂが順次積層された２層構造にするとともに、第１ｐ型層７５ａをバンドギャップの大きいｐ型非晶質ＳｉＣ層により構成することにより、ｐ型層７５における光吸収損失を小さくすることができたので、入射光を効率的に光電変換層７４に吸収させることができたと考えられる。その一方、比較例２では、ｐ型層２５がバンドギャップの小さい微結晶Ｓｉ層からなる単層構造であるために、ｐ型層２５における光吸収損失が実施例３よりも大きくなったので、光電変換層２４による入射光の吸収が実施例３よりも少なくなったと考えられる。
また、実施例３と比較例２とを比較した場合、実施例３の変換効率（１．０７）の方が、比較例２の変換効率（１．００）よりも高くなることが判明した。この結果から、ｐ型層７５を、第１ｐ型層７５ａおよび第２ｐ型層７５ｂが順次積層された２層構造にするとともに、第１ｐ型層７５ａをｐ型非晶質ＳｉＣ層により構成することにより、変換効率を高くすることができると考えられる。
実施例３では、上記のように、ｐ型層７５を、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層７５ａおよびｐ型微結晶Ｓｉ層からなる第２ｐ型層７５ｂが順次積層された２層構造にするとともに、第２ｐ型層７５ｂ上に表面透明電極７６を形成することによって、微結晶Ｓｉ層は、非晶質ＳｉＣ層に比べて導電率が高いので、ｐ型非晶質ＳｉＣ層からなる第１ｐ型層７５ａを含むようにｐ型層７５を構成したとしても、ｐ型層７５（第２ｐ型層７５ｂ）と表面透明電極７６との接触抵抗が高くなるのを抑制することができる。これにより、光起電力装置の曲線因子の低下を抑制することができる。
なお、実施例３のその他の効果は、上記実施例２と同様である。
なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施例１〜３では、発電ユニットが１つである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、複数の発電ユニットが積層された、いわゆる積層型の光起電力装置において、少なくとも１つの発電ユニットが上記各実施例の発電ユニットであればよい。具体的には、図１９に示すように、図１５に示した実施例３の発電ユニットを構成する第２ｐ型層７５ｂ上に、ｎ型微結晶Ｓｉ層からなるｎ型層９１、ノンドープ非晶質Ｓｉ層からなる光電変換層９２およびｐ型微結晶Ｓｉ層からなるｐ型層９３が順次積層された発電ユニットを形成してもよい。このように構成した場合においても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。なお、ｐ型層９３上には、上記実施例と同様、表面透明電極９４および集電極９５が順次形成されている。
また、上記実施例１〜３では、ステンレス板上にポリイミド樹脂が形成された基板を用いたが、本発明はこれに限らず、ステンレス板に代えて、鉄、モリブデンおよびアルミニウムなどの金属およびそれらの合金材料を用いてもよい。また、ポリイミド樹脂に代えて、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）樹脂やＳｉＯ２などの絶縁性材料を用いてもよい。なお、上記した金属および絶縁性材料の組み合わせは、いかなる組み合わせでもよい。
また、上記実施例１〜３では、平坦なステンレス板上にポリイミド樹脂が形成された平坦な表面を有する基板を用いたが、本発明はこれに限らず、ステンレス板上のポリイミド樹脂に、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などからなる直径数百μｍの粒子を混入することによって、基板の表面を凹凸形状にしてもよい。この場合には、基板上に形成される裏面電極の表面が基板の表面の凹凸形状を反映した凹凸形状になるので、裏面電極の凹凸形状の表面により入射光を散乱させることができる。これにより、より良好な光閉じ込め効果を得ることができる。
本発明に従って作製した実施例１による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図１に示した実施例１による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 比較例１による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図３に示した比較例１による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 比較例２による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図５に示した比較例２による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 比較例３による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図７に示した比較例３による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 本発明に従って作製した実施例２による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図９に示した実施例２による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 比較例４による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図１１に示した比較例４による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 比較例５による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図１３に示した比較例５による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 本発明に従って作製した実施例３による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図１５に示した実施例３による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 比較例６による光起電力装置の構造を示した断面図である。 図１７に示した比較例６による光起電力装置のｎ型層、光電変換層およびｐ型層のそれぞれのＸ線回折ピークの強度を示したグラフである。 実施例の変形例による積層型の光起電力装置の構造を示した断面図である。
符号の説明
１ 基板
３ ｎ型層（第１半導体層、非晶質半導体層）
４、４４、７４ 光電変換層（第２半導体層、非単結晶半導体層、非晶質シリコン層）
５ ｐ型層（第３半導体層、非単結晶半導体層、非単結晶シリコン層）
４３、７３ ｎ型層（第１半導体層、非単結晶半導体層、非単結晶シリコン層）
４５ ｐ型層（第３半導体層 非晶質半導体層）
７５ ｐ型層（第３半導体層）
７５ａ 第１ｐ型層（非晶質半導体層）
７５ｂ 第２ｐ型層（非単結晶半導体層、非単結晶シリコン層）
７６ 表面透明電極（電極層）

Claims (5)

  1. 少なくとも１つの層を含む第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成され、少なくとも１つの層を含む、光電変換層として機能する実質的に真性な第２半導体層と、前記第２半導体層上に形成され、少なくとも１つの層を含む第２導電型の第３半導体層とを有する発電ユニットを少なくとも１つ含み、
    前記第１半導体層および前記第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの層は、非晶質半導体層であり、
    前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層を構成する層のうちの前記非晶質半導体層以外の層は、結晶性を有する非単結晶シリコン層であるとともに、
    前記第１半導体層および前記第３半導体層を構成する層のうちの少なくとも１つの前記結晶性を有する非単結晶シリコン層は、（１１１）面の優先結晶配向を有し、
    前記第２半導体層を構成する前記結晶性を有する非単結晶シリコン層は、（２２０）面の優先結晶配向を有する、
    光起電力装置。
  2. 前記第１半導体層は、前記非晶質半導体層を少なくとも含むとともに、光入射側とは反対の基板側に配置されており、
    前記第１半導体層を構成する前記非晶質半導体層は、前記基板側に配置されている、請求項１に記載の光起電力装置。
  3. 前記第３半導体層は、前記非晶質半導体層を少なくとも含むとともに、光入射側に配置されている、請求項１または２に記載の光起電力装置。
  4. 前記第１半導体層および前記第３半導体層の少なくとも一方は、複数の層により構成されており、
    前記第１半導体層および前記第３半導体層の少なくとも一方を構成する前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、前記非晶質半導体層であるとともに、他の層が、前記結晶性を有する非単結晶半導体層である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力装置。
  5. 前記第３半導体層は、前記非晶質半導体層と、前記結晶性を有する非単結晶半導体層とを含み、
    前記第３半導体層を構成する前記非晶質半導体層上に、前記第３半導体層を構成する前記結晶性を有する非単結晶半導体層が形成されており、
    前記第３半導体層を構成する前記結晶性を有する非単結晶半導体層上に、電極層が形成されている、請求項４に記載の光起電力装置。
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